CN110671839A - 一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统和热能回收方法 - Google Patents

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张军
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Abstract

本发明公开了一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统和热能回收方法，属于能源回收领域，冷凝器的热流体侧出口、工质泵Ⅰ和混合器的冷流体侧进口通过管路依次连接；混合器的出口和吸热器的冷流体侧进口通过管路连接；吸热器的冷流体侧出口、节流阀、气液分离器的进口通过管路依次连接；气液分离器的液体出口、工质泵Ⅱ和混合器的热流体侧进口通过管路依次连接；气液分离器的蒸汽出口与透平的进口通过管路连接；透平的出口和冷凝器的乏气进口通过管路连接。本发明将闪蒸分液后的饱和液体用工质泵Ⅱ加压后与工质泵Ⅰ出口的过冷液体混合，对过冷液体进行预热，达到能量回收的目的，避免了直接截流到冷凝压力所产生的巨大
Figure DDA0002281000980000011
损，提升了系统性能。

Description

一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统和热能回收方法
技术领域
本发明属于能源回收领域，具体地说涉及一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统和热能回收方法。
背景技术
中低温热源是指品位相对较低的热能，一般温度在350℃以下。这类热源种类繁多，总量巨大，主要包括太阳热能、各种工业废热、生活废热、地热、海洋温差等。以太阳能为例，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×1018kJ，全国各地太阳年辐射总量高达335～837kJ/cm2·a，利用潜力巨大；另外，根据中投顾问发布的《2016-2020年中国地热能行业投资分析及前景预测报告》估计，在我国国土范围内仅地壳最外层10公里范围内，就拥有1254亿焦热量，相当于全世界现产煤炭总发热量的2000倍，可谓取之不尽，用之不竭。同时某些低品位热能的直接排放不仅仅是能源的极大浪费，也是环境热污染的主要因素，仅以工业废热为例，我国每年的能源使用量达到20亿吨标准煤，如果热利用按50％计算，相当于近10亿吨标准煤以废热形式排放到环境中，其中温度低于350℃的低温热源约占余热总量的60％，如果能将这部分热能进行有效利用，不仅能有效提高能源利用率，同时也能达到保护环境的目的。
虽然我国中低温热源资源十分丰富，但目前能够高效利用低温热源的手段并不是很多。有机闪蒸作为一种利用中低温热源的有效手段，有着许多优点，其可有效的减少传热温差，进而减少系统的
Figure BDA0002281000960000011
损，同时还能增加对中低温热能的利用率。但是传统的有机闪蒸循环在闪蒸后的饱和液体直接截流到冷凝压力会产生巨大的
Figure BDA0002281000960000012
损，其次饱和液体混合后，然后进入冷凝器放热，这样就会造成较大的能量损失，导致系统效率较低。因此研究新型中低温热能回收系统具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处提供一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统和热能回收方法，拟解决传统的有机闪蒸循环在闪蒸后的饱和液体直接截流到冷凝压力会产生巨大的
Figure BDA0002281000960000013
损，如何提高系统效率，如何实现中低温热能的梯级高效利用等问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统，包括冷凝器、工质泵Ⅰ、混合器、吸热器、节流阀、气液分离器、工质泵Ⅱ和透平；所述冷凝器的热流体侧出口、工质泵Ⅰ和混合器的冷流体侧进口通过管路依次连接；所述混合器的出口和吸热器的冷流体侧进口通过管路连接；所述吸热器的冷流体侧出口、节流阀、气液分离器的进口通过管路依次连接；所述气液分离器的液体出口、工质泵Ⅱ和混合器的热流体侧进口通过管路依次连接；所述气液分离器的蒸汽出口与透平的进口通过管路连接；所述透平的出口和冷凝器的乏气进口通过管路连接。由上述结构可知，工作原理：余热回收工质从冷凝器的热流体侧出口出来，经工质泵Ⅰ加压后进入混合器的冷流体侧进口，饱和液体则进入混合器的热流体侧进口，使工质泵Ⅰ排出的较冷的余热回收工质首先被温度较低的闪蒸过后的饱和液体混合进行加热，余热回收工质和饱和液体在混合器内混合后再从混合器的出口出来进入吸热器的冷流体侧进口，实现能量的梯级利用，提高系统性能。余热回收工质在吸热器内与从吸热器的热流体侧进口输入并从吸热器的热流体侧出口输出的余热介质换热；余热回收工质从吸热器的冷流体侧出口出来，经节流阀节流后进入气液分离器的进口，余热回收工质在气液分离器内实现闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入透平膨胀做功，饱和液体则通过工质泵Ⅱ加压后进入混合器的热流体侧进口；透平的出口出来的乏气进入冷凝器的乏气进口并在冷凝器内冷却，最后余热回收工质从冷凝器的热流体侧出口出来。余热回收工质采用R123，透平采用IT10螺杆式透平，净输出功率为10kW；闪蒸压力为0.49MPa，吸热器采用管壳式换热器，工质泵Ⅰ、工质泵Ⅱ采用高压屏蔽泵。管路采用紫铜管。
进一步的，还包括冷却塔和冷却水泵；所述冷却塔的出口和冷凝器的冷流体侧进口通过管路连接；所述冷凝器的冷流体侧出口、冷却水泵和冷却塔的进口通过管路依次连接。由上述结构可知，冷却塔选用冷却水循环流量为20m3/h的低温型冷却塔LBCM-20，冷却水泵选用12KQL50/100-1.1/2型号，冷却水管路采用无缝钢管。上述所有管路安装完成后，进行管道的氮气吹扫，对新型回热有机闪蒸循环回路抽真空，并分别按要求向相应管路内充入R123、R134a、及自来水。
进一步的，所述冷却塔的进口与冷却塔内设有的布水管连通；所述冷却塔的出口与冷却塔内设有的集水盘连通。由上述结构可知，从冷却塔的出口出来的冷却水送至冷凝器的冷流体侧进口对乏气状态的余热回收工质进行冷凝，之后返回经冷却水泵输送至冷却塔的进口进入冷却塔的布水管，经过冷却后进入塔底集水盘，完成一个循环。
进一步的，所述余热回收工质采用烷烃类有机工质的二元或多元混合物。由上述结构可知，不同有机纯工质的混合导致非共沸工质在换热过程中会出现温度滑移现象，从而改善循环与冷热源的温度匹配。
进一步的，所述余热回收工质采用二氧化碳与一种或多种烷烃类有机工质的组成的二元或多元混合物。由上述结构可知，扩大了工质的遴选范围，同时改善循环与冷源的温度匹配，实现不同工质组元的优势互补。
进一步的，所述余热回收工质采用二氧化碳、甲苯、R152a、R142b、R22、R123、R134a、R245fa、丙烷、R143a、R32、R23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷和异丁烷中的两种或超过两种组成的二元或多元混合物。
一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统的热能回收方法，采用上述所述的一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统，包括吸收余热步骤、热能利用步骤和余热回收工质冷却步骤；吸收余热步骤具体为：余热回收工质从冷凝器的热流体侧出口出来，经工质泵Ⅰ加压后进入混合器的冷流体侧进口，饱和液体则进入混合器的热流体侧进口，余热回收工质和饱和液体在混合器内混合后再从混合器的出口出来进入吸热器的冷流体侧进口，余热回收工质在吸热器内与从吸热器的热流体侧进口输入并从吸热器的热流体侧出口输出的余热介质换热；热能利用步骤具体为：余热回收工质从吸热器的冷流体侧出口出来，经节流阀节流后进入气液分离器的进口，余热回收工质在气液分离器内实现闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入透平膨胀做功，饱和液体则通过工质泵Ⅱ加压后进入混合器的热流体侧进口；余热回收工质冷却步骤具体为：透平的出口出来的乏气进入冷凝器的乏气进口并在冷凝器内冷却，最后余热回收工质从冷凝器的热流体侧出口出来。
本发明的有益效果是：
1、本发明包括新型回热有机闪蒸循环和冷却水循环。本发明将新型回热有机闪蒸循环与冷却水循环有机结合。将闪蒸分液后的饱和液体用工质泵Ⅱ加压后与工质泵Ⅰ出口的过冷液体混合，对过冷液体进行预热，达到能量回收的目的。避免了常规有机闪蒸循环分液后的饱和液体直接截流到冷凝压力所产生的巨大
Figure BDA0002281000960000031
损，提升了系统性能，实现中低温热能的高效利用。
2、实现了能量的梯级利用，从工质泵Ⅰ出来的液体首先与温度较低的闪蒸过后饱和液体混合进行加热，再被温度较高的中低温热源进行加热。
3、本发明能用于回收所有的余热资源，包括工业废气、废水、生物质热能、太阳能以及地热等各种形式的余热。同时也对实现节能减排、改善能源结构具有重要意义。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
附图中：1-工质泵Ⅰ、2-混合器、3-吸热器、4-节流阀、5-气液分离器、6-透平、7-冷凝器、8-冷却水泵、9-冷却塔、10-工质泵Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。
实施例一：
见附图1。一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统，包括冷凝器7、工质泵Ⅰ1、混合器2、吸热器3、节流阀4、气液分离器5、工质泵Ⅱ10和透平6；所述冷凝器7的热流体侧出口、工质泵Ⅰ1和混合器2的冷流体侧进口通过管路依次连接；所述混合器2的出口和吸热器3的冷流体侧进口通过管路连接；所述吸热器3的冷流体侧出口、节流阀4、气液分离器5的进口通过管路依次连接；所述气液分离器5的液体出口、工质泵Ⅱ10和混合器2的热流体侧进口通过管路依次连接；所述气液分离器5的蒸汽出口与透平6的进口通过管路连接；所述透平6的出口和冷凝器7的乏气进口通过管路连接。由上述结构可知，工作原理：余热回收工质从冷凝器7的热流体侧出口出来，经工质泵Ⅰ1加压后进入混合器2的冷流体侧进口，饱和液体则进入混合器2的热流体侧进口，使工质泵Ⅰ1排出的较冷的余热回收工质首先被温度较低的闪蒸过后的饱和液体混合进行加热，余热回收工质和饱和液体在混合器2内混合后再从混合器2的出口出来进入吸热器3的冷流体侧进口，实现能量的梯级利用，提高系统性能。余热回收工质在吸热器3内与从吸热器3的热流体侧进口输入并从吸热器3的热流体侧出口输出的余热介质换热；余热回收工质从吸热器3的冷流体侧出口出来，经节流阀4节流后进入气液分离器5的进口，余热回收工质在气液分离器5内实现闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入透平6膨胀做功，饱和液体则通过工质泵Ⅱ10加压后进入混合器2的热流体侧进口；透平6的出口出来的乏气进入冷凝器7的乏气进口并在冷凝器7内冷却，最后余热回收工质从冷凝器7的热流体侧出口出来。余热回收工质采用R123，透平6采用IT10螺杆式透平，净输出功率为10kW；闪蒸压力为0.49MPa，吸热器3采用管壳式换热器，工质泵Ⅰ1、工质泵Ⅱ10采用高压屏蔽泵。管路采用紫铜管。
实施例二：
见附图1。一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统，包括冷凝器7、工质泵Ⅰ1、混合器2、吸热器3、节流阀4、气液分离器5、工质泵Ⅱ10和透平6；所述冷凝器7的热流体侧出口、工质泵Ⅰ1和混合器2的冷流体侧进口通过管路依次连接；所述混合器2的出口和吸热器3的冷流体侧进口通过管路连接；所述吸热器3的冷流体侧出口、节流阀4、气液分离器5的进口通过管路依次连接；所述气液分离器5的液体出口、工质泵Ⅱ10和混合器2的热流体侧进口通过管路依次连接；所述气液分离器5的蒸汽出口与透平6的进口通过管路连接；所述透平6的出口和冷凝器7的乏气进口通过管路连接。由上述结构可知，工作原理：余热回收工质从冷凝器7的热流体侧出口出来，经工质泵Ⅰ1加压后进入混合器2的冷流体侧进口，饱和液体则进入混合器2的热流体侧进口，使工质泵Ⅰ1排出的较冷的余热回收工质首先被温度较低的闪蒸过后的饱和液体混合进行加热，余热回收工质和饱和液体在混合器2内混合后再从混合器2的出口出来进入吸热器3的冷流体侧进口，实现能量的梯级利用，提高系统性能。余热回收工质在吸热器3内与从吸热器3的热流体侧进口输入并从吸热器3的热流体侧出口输出的余热介质换热；余热回收工质从吸热器3的冷流体侧出口出来，经节流阀4节流后进入气液分离器5的进口，余热回收工质在气液分离器5内实现闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入透平6膨胀做功，饱和液体则通过工质泵Ⅱ10加压后进入混合器2的热流体侧进口；透平6的出口出来的乏气进入冷凝器7的乏气进口并在冷凝器7内冷却，最后余热回收工质从冷凝器7的热流体侧出口出来。余热回收工质采用R123，透平6采用IT10螺杆式透平，净输出功率为10kW；闪蒸压力为0.49MPa，吸热器3采用管壳式换热器，工质泵Ⅰ1、工质泵Ⅱ10采用高压屏蔽泵。管路采用紫铜管。
还包括冷却塔9和冷却水泵8；所述冷却塔9的出口和冷凝器7的冷流体侧进口通过管路连接；所述冷凝器7的冷流体侧出口、冷却水泵8和冷却塔9的进口通过管路依次连接。由上述结构可知，冷却塔9选用冷却水循环流量为20m3/h的低温型冷却塔LBCM-20，冷却水泵8选用12KQL50/100-1.1/2型号，冷却水管路采用无缝钢管。上述所有管路安装完成后，进行管道的氮气吹扫，对新型回热有机闪蒸循环回路抽真空，并分别按要求向相应管路内充入R123、R134a、及自来水。
所述冷却塔9的进口与冷却塔9内设有的布水管连通；所述冷却塔9的出口与冷却塔9内设有的集水盘连通。由上述结构可知，从冷却塔9的出口出来的冷却水送至冷凝器7的冷流体侧进口对乏气状态的余热回收工质进行冷凝，之后返回经冷却水泵8输送至冷却塔9的进口进入冷却塔9的布水管，经过冷却后进入塔底集水盘，完成一个循环。
所述余热回收工质采用烷烃类有机工质的二元或多元混合物。由上述结构可知，不同有机纯工质的混合导致非共沸工质在换热过程中会出现温度滑移现象，从而改善循环与冷热源的温度匹配。
所述余热回收工质采用二氧化碳与一种或多种烷烃类有机工质的组成的二元或多元混合物。由上述结构可知，扩大了工质的遴选范围，同时改善循环与冷源的温度匹配，实现不同工质组元的优势互补。
所述余热回收工质采用二氧化碳、甲苯、R152a、R142b、R22、R123、R134a、R245fa、丙烷、R143a、R32、R23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷和异丁烷中的两种或超过两种组成的二元或多元混合物。
实施例三：
见附图1。一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统的热能回收方法，采用上述所述的一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统，包括吸收余热步骤、热能利用步骤和余热回收工质冷却步骤；吸收余热步骤具体为：余热回收工质从冷凝器7的热流体侧出口出来，经工质泵Ⅰ1加压后进入混合器2的冷流体侧进口，饱和液体则进入混合器2的热流体侧进口，余热回收工质和饱和液体在混合器2内混合后再从混合器2的出口出来进入吸热器3的冷流体侧进口，余热回收工质在吸热器3内与从吸热器3的热流体侧进口输入并从吸热器3的热流体侧出口输出的余热介质换热；热能利用步骤具体为：余热回收工质从吸热器3的冷流体侧出口出来，经节流阀4节流后进入气液分离器5的进口，余热回收工质在气液分离器5内实现闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入透平6膨胀做功，饱和液体则通过工质泵Ⅱ10加压后进入混合器2的热流体侧进口；余热回收工质冷却步骤具体为：透平6的出口出来的乏气进入冷凝器7的乏气进口并在冷凝器7内冷却，最后余热回收工质从冷凝器7的热流体侧出口出来。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统，其特征在于：包括冷凝器(7)、工质泵Ⅰ(1)、混合器(2)、吸热器(3)、节流阀(4)、气液分离器(5)、工质泵Ⅱ(10)和透平(6)；所述冷凝器(7)的热流体侧出口、工质泵Ⅰ(1)和混合器(2)的冷流体侧进口通过管路依次连接；所述混合器(2)的出口和吸热器(3)的冷流体侧进口通过管路连接；所述吸热器(3)的冷流体侧出口、节流阀(4)、气液分离器(5)的进口通过管路依次连接；所述气液分离器(5)的液体出口、工质泵Ⅱ(10)和混合器(2)的热流体侧进口通过管路依次连接；所述气液分离器(5)的蒸汽出口与透平(6)的进口通过管路连接；所述透平(6)的出口和冷凝器(7)的乏气进口通过管路连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统，其特征在于：还包括冷却塔(9)和冷却水泵(8)；所述冷却塔(9)的出口和冷凝器(7)的冷流体侧进口通过管路连接；所述冷凝器(7)的冷流体侧出口、冷却水泵(8)和冷却塔(9)的进口通过管路依次连接。
3.根据权利要求2所述的一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统，其特征在于：所述冷却塔(9)的进口与冷却塔(9)内设有的布水管连通；所述冷却塔(9)的出口与冷却塔(9)内设有的集水盘连通。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统，其特征在于：所述余热回收工质采用烷烃类有机工质的二元或多元混合物。
5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统，其特征在于：所述余热回收工质采用二氧化碳与一种或多种烷烃类有机工质的组成的二元或多元混合物。
6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统，其特征在于：所述余热回收工质采用二氧化碳、甲苯、R152a、R142b、R22、R123、R134a、R245fa、丙烷、R143a、R32、R23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷和异丁烷中的两种或超过两种组成的二元或多元混合物。
7.一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统的热能回收方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种新型回热有机闪蒸循环余热回收系统，包括吸收余热步骤、热能利用步骤和余热回收工质冷却步骤；吸收余热步骤具体为：余热回收工质从冷凝器(7)的热流体侧出口出来，经工质泵Ⅰ(1)加压后进入混合器(2)的冷流体侧进口，饱和液体则进入混合器(2)的热流体侧进口，余热回收工质和饱和液体在混合器(2)内混合后再从混合器(2)的出口出来进入吸热器(3)的冷流体侧进口，余热回收工质在吸热器(3)内与从吸热器(3)的热流体侧进口输入并从吸热器(3)的热流体侧出口输出的余热介质换热；热能利用步骤具体为：余热回收工质从吸热器(3)的冷流体侧出口出来，经节流阀(4)节流后进入气液分离器(5)的进口，余热回收工质在气液分离器(5)内实现闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入透平(6)膨胀做功，饱和液体则通过工质泵Ⅱ(10)加压后进入混合器(2)的热流体侧进口；余热回收工质冷却步骤具体为：透平(6)的出口出来的乏气进入冷凝器(7)的乏气进口并在冷凝器(7)内冷却，最后余热回收工质从冷凝器(7)的热流体侧出口出来。
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